các dạng bài tập về sóng cơ học - Pdf 13


LOẠI I : ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG CƠ HỌC
A.Tóm tắt lí thuyết :
1.Định nghĩa sóng cơ họchọc:
- Sóng cơ học là dao động lan truyền trong các môi trường theo thời gian.
2. Phân loại:
- sóng ngang: là sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng.
- Sóng dọc: là sóng có phương dao động song song với phương truyền sóng.
3.Đặc điểm của quá trình truyền sóng:
Quá trình truyền sóng là quá trình truyền pha dao động.
Tốc độ truyền sóng là tốc độ truyền pha dao động.
4.Các đặc trưng của quá trình truyền sóng:
a) Vận tốc truyền sóng (v): Gọi Δs là quảng đường sóng truyền được trong thời gian Δt. Vận tốc truyền
sóng là: v =
t
s


.
b) Tần số sóng (f ): Tất cả các phần tử vật chất trong môi trường mà sóng truyền qua đều dao động cùng
với một tần số, bằng tần số của nguồn sóng gọi là tần số sóng.
c) Chu kì sóng (T ): T =
f
1
d) Bước sóng ( λ): là quãng đường sóng truyền được trong một chu kì hay là khoảng cách giữa hai điểm
dao động cùng pha gần nhất trên phương truyền sóng.
f
v
vT
==
λ

f.2
π
).

u
M
= a cos(2πft -
x
λ
π
2
)
Nhận xét:
.Sóng tuần hoàn theo thời gian t.
. Sóng tuần hoàn theo không gian λ.
B.Phương pháp giải bài tập:
Dạng 1: Tìm các yếu tố của sóng cơ học
• Bước sóng :
f
v
vT ==
λ
• Những điểm dao động cùng pha: d = nλ.
• Những điểm dao động ngược pha: d = (n + ½ )λ.
• Độ lệch pha giữa hai điểm dao động trên cùng một phương truyền:
λ
π
ϕ
d


2
.2
π
λ
π
ϕ
==∆
d

λ = 4.d = 20 m

v = λ.f = 100 m/s.
Ví dụ 2: Tại điểm S trên mặt nước yên tĩnh có nguồn dao động điều hoà theo phương thẳng với tần số f
.Khi đó, mặt nướchình thành hệ sóng đồng tâm. Tại 2 điểm M,N cách nhau 5 cm trên đường thẳng đi qua S
luôn dao động ngược pha. Biết tốc độ truyền sóng trên mặt nước là 80 cm/s và tần số dao động của nguồn
có giá trị trong khoảng từ 46 đến 64 Hz. Tìm tần số dao động của nguồn?
Giải:
Ta có 2 điểm M, N dao động ngược pha:
λ
π
ϕ
d∆
=∆
.2
= (2k +1)π

2πd = (2k +1)πλ

λ
12







t
3
π
cm. Vào lúc t, u = 3 cm, vậy vào
thời điểm sau đó 1,5 s thì u có li độ bằng bao nhiêu ?
Giải
Cách 1: Dùng lượng giác.
Khi u = 3 ta có 6.sin






t
3
π
= 3

sin











+
23
ππ
t


u = 6.cos






t
3
π
. Ta có
)
3
cos( t
π
=
)
3

3
π
=
2
π
.Ban đầu vật ở li độ u
o
= 3 cm tại M
0
.
Ta có cosφ
0
=1/2

φ
0
= π/3.
Sau thời gian Δt giả sử vật ở li độ u tại M , ta có φ = Δφ - φ
0
= π/6.
Ta có cosφ =
a
u


cos
66
u
=
π

2
= a.cos(2πf.t)
Life change when we change !
3
• Phương trình dao động tại M do sóng S
1
truyền đến: u
M1
= acos(2πf.t -
λ
π
1
.2 d
)
• Phương trình dao động tại M do sóng S
2
truyền đến: : u
M2
= acos(2πf.t -
λ
π
2
.2 d
)
• Phương trình dao động tổng hợp tại M là: u
M
= u
M1
+ u
M2

.cos(
))(
21
ddt +−
λ
π
ω
.
Biên độ : A = 2a.
λ
π
d.
cos


• Những điểm có biên độ cực đại: A= 2a


λ
π
d
cos

= 1

λ
π
d∆.
= kπ


+=− kdd
.
Ví dụ 1. Trong thí nghiệm giao thoa trên mặt nướccó 2 nguồn két hợp S
1
, S
2
dao động với tần số f = 10 Hz.
Tại điểm M cách S
1,
S
2
lần lượt là d
1
= 16cm, d
2
= 10cm có một cực đại. Giữa M và đường trung trực S
1
S
2

có hai cực đại. Tìm tốc độ truyền sóng.
Giải
Ta có giữa đường trung trực S
1
S
2
và M có k cực đại , suy ra n = k +1.
Điều kiện cực đại :
1
1212

,S
2
về phía S
2
và gần S
2
nhất nằm ngoài khoảng S
1
S
2
dao động cùng pha với
S
1
S
2
?
Giải
a, Ta có công thức:u
M
= 2a.cos
d∆
λ
π
.cos(
))(
21
ddt +−
λ
π
ω

2)(
21
kdd =+





=−
=+
2121
21
2
SSdd
kdd
λ


d
1
= kλ +
62
2
21
+= k
SS
>S
1
S
2


Ta có : u
S1
= u
S2
= a.cos(ωt). Và u
M
= 2a.cos
d∆
λ
π
.cos(
))(
21
ddt +−
λ
π
ω


Δφ = φ
M
- φ
S
=
)(
21
dd +
λ
π

2
cách nhau 20 cm.Hai
nguồn này dao động
thẳng đứng có phương trình lần lượt là u
1
=5.cos(40πt + π) mm và u
2
= 5.cos(40πt) mm. Tốc độ truyền sóng
trên mặt chất lỏng là 80 cm/s. Số điểm dao động với biên độ cực đại trên S
1
S
2
là bao nhiêu?
Giải
Phương trình sóng của hai nguồn kết hợp u
1
và u
2
là :
u = u
1
+ u
2
= 2a.
)
2
)(cos(.)
2
)(cos(
2121


π
λ
π
)
2
1
()(
21
+=− kdd


λ
)
2
1
(
21
+=− kdd
mà d
1
+ d
2
= S
1
S
2


2

λλ
2121
SS
k
SS
<<−


- 5 < k < 5 (k

Ζ ).

Có 9 giá trị k (chú ý đề yêu cầu “khoảng”
S
1
S
2
nên không lấy giá trị “=”).suy ra có 9 cực đại hay 9 gợn lồi  có 5 hhypebol lồi.
Life change when we change !
5
Số điêm cực tiểu:
2
1
2
1
2121
−<<−−
λλ
SS
k

=+
λ
kdd
SSdd
21
2121
(k

Ζ ).
Cộng vế theo vế ta được: d
1
=
22
21
λ
k
SS
+
(1) mà 0 ≤ d
1
≤ S
1
S
nên suy ra :
λλ
2121
SS
k
SS
≤≤−

4
)12(
2
21
λ
+
+
k
SS
(3). Mà 0 ≤ d
1
≤ S
1
S
2

Suy ra:
2
1
2
1
2121
−≤≤−−
λλ
SS
k
SS
(lấy dấu “=” nếu là đoạn). (4).
Chú ý: + các điểm dao động cực thoả mãn phương trình (3)
+ vị trí các điểm dao đọng cực tiểu xác định từ phương trình (4).

khi đó: . i = d
n+1
-

d
n
=
2
λ
.
Ví dụ 1: Để xác định bước sóng và vận tốc của âm, người ta dùng một dụng cụ (gọi là ống Koeing ) có cấu
tạ như sau : -một ống thuỷ tinh T hình chữ U có 2 lỗ O, S một ống thuỷ tinh T’ cũng có hình chữ U, lồng
khí vào hai nhánhống T và có thể trượt được dể dàng.Rồi dùng phép đo như sau:
1.Đặt âm thoa vào sát lỗ S và ghé tai vào lỗ O.cho âm thoa dao động rồi dịch chuyển ống T’thì thấy có lúc
nghe rõ có lúc không nghe rõ âm. Giải thích hiện tượng.
2.Bên trong ống chứa không khí ở 0
o
C. Dịch chuyển ống T’
thì thấy hai vị ttrí gàn nhau nhất cách nhau33 cm đều
không vnghe thấy âm. Tìm tần số dao độgn của âm
thoa biết v
kk
= 330 m/s.
3.Thay đổi không khí bên trong ống bằng khí H
2
ở 0
0
C thì
để có 2 lần im lặng liên tiếp phải dịch chuyển ống T’ một
khoảng 125,6 cm. Tìm vận tốc truyền âm trong không khí.

H
v
λ


f
v
H
H
2
2
=
λ
mà λ
H
= 2Δd’

2Δd’=
f
v
H

v
H
= 2Δd’.f = 1256 m/s.
4, Ta có v
t
= 2.Δd’’.f = 363 m/s. Dùng công thức v =
Tk


2121
SS
k
SS
<<−
(chú ý không lấy dấu “=” vì đề yêu cầu tìm giữa (khoảng)), với: λ = v / f =0,4 cm.
Suy ra : -10 < k < 10 ( k

Ζ )

k

{±9, ±8, 0} , vậy có 19 gợn sóng.
Số điểm đứng yên( dao động cực tiểu) thoả mãn:
2
1
2
1
2121
−<<−−
λλ
SS
k
SS


- 10,5 < k < 9,5

k


11 giá trị thoã mãn hay có 11 điểm dao động cực đại.
- Số điểm dao động cực tiểu:
2
1
2
1
2121
−≤≤−−
λλ
SS
k
SS


-5,5 ≤ k ≤4,5 .Suy ra có 10 giá trị k thỏa
mãn hay 10 điểm dao động cực tiểu
b. vị trí các điểm dao động cực đại : d
1
=
22
21
λ
k
SS
+
= 5 + k , với k = 0, 1,2,3,-1,-2,-3…
nhận xét: d
1
= 5, 6, 7, …, 2, 1 cm. khoảng cách giữa hai điểm dao động cực đại là λ /2 = 1cm.
******************************

n
.
n múi  nλ / 2.
4.Điều kiện l để có sóng dừng trên dây có một đầu tự do:
-Sóng phản xạ tại O : u
px0
= u
t0.
- Điều kiện chiều dài l: . l =
2
)
2
1
(
λ
+n
.

B.Phuơng pháp giải bài tập:
Dạng 1: Các yếu tố liên quan đến sóng dừng:
1,Điều kiện để có sóng dừng trên dây:
- Hai đầu cố định: l = nλ / 2.
- Một đầu cố định một đấu tự do: l =
2
)
2
1
(
λ
+n

λ
π
22

)
Phương trình sóng tổng hợp tại M: u
M
= u
M t
+ u
M px
= a[cos(ωt -
dl
λ
π
λ
π
22

) - cos(ωt -
dl
λ
π
λ
π
22

)]
= - 2a
λ

u
M
= 2a
λ
π
d2
sin
.
)
2
.2
cos(
π
λ
π
ω
+−
l
t

Ví dụ 1. Một dây cao su căng ngang, một đầu gắn vào cố định, đầu kia gắn vào âm thoa dao động với tần
số f = 40Hz. Trên dây hình thành hệ sóng dừng gồm 7 nút ( không kể hai nút hai đầu) , dây dài 1 m.
Life change when we change !
9
a, Tìm tốc độ truyền sóng trên dây.
b, Cho âm thoa dao động với f’ bằng bao nhiêu để trên dây có 5 nút (kể cả hai nút hai đầu).
Giải
a. Số nút trên dây n = 7 + 2 = 9 nút

có 8 bụng( múi).

vn
f
.2
'
'
=
= 20 Hz.
Ví dụ 2. Một dây treo lơ lửng, đầu A gắn gắn vào âm thoa dao động với tần số f = 100 Hz, đầu B lơ lửng.
a) Biết khoảng cách từ A đến nút thứ 3 là 5 cm. tìm tốc độ truyền sóng trên dây ?
b) Tìm khỏng cách từ B đến các nút, các bụng trên dây nếu chiều dài của dây là 21 cm. Tìm số bụng, số
nút quan sát được trên dây?
Giải
a. ta có: d =
2
)
2
1
(
λ
+n
=
2
)
2
1
2(
λ
+
(do có 3 nút thì được 2 múi )


2
)
2
1
(
λ
+n
+ Trên dây có số bụng < số nút thì : hai đầu là hai nút : l =
2
λ
n
Ví dụ 3. Trên day OA, đầu A cố định, đầu O dao động điều hoà với tần số f = 20 Hz thì trên dây có 5 nút.
Muốn trên dây rung thành hai bụng thì đầu O phải dao động với tần số bằng bao nhiêu ?
Giải

Ta có : l =
2
λ
k
=
f
vk
.2
.
, l =
2
''
λ
n
=

Giải :
Ta có :
µ
P
v =
với μ
01,0==
l
m
kg/m

01,0
25,2
=v
= 15 m/s.
Ví dụ 2: Một sợi dây dài 0,4 m, một đầu gắn với vần rung, đầu kia treo trên một đĩa cân rồi vắt qua ròng
rọc. Cần rung với tần số f = 60 Hz, ta thấy dây rung thành một múi. Tốc độ truyền sóng trền dây là bao
nhiêu? Để dây rung thành 3 múi thì lực căng dây sẽ thay đổi như thế nào?
Giải
Dây rung thành 1 múi

l = λ / 2  λ = 2.l = 0,8 m. Vậy vận tốc : v = λ .f = 0,8.60 = 48 m/s.
Để dây rung thành 3 múi:
λλ
λ
3
1
3
2
2

22
10.2
100
20

==
v
P
kg/s.
c. từ công thức: p = μ.v
2
và v = λ.f
f
k
l
.
2
=


25,1
4
50.1.4
.10.2
4
2
22
3
2
22

góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của cường độ âm là W/ m
2
.
• Cường độ âm càng lớn ta nghe âm càng to. Tuy nhiên độ to không tỉ lệ với cường độ âm.
• Mức cường độ âm đơn vị là Ben (B) cho bởi công thức: L(B) = lg
0
I
I
, với I là cường độ âm, I
0

cường độ âm chuẩn.
• Nếu dùng đơn vị đêxiben (dB) thì: L(dB) = 10.lg
0
I
I

4. Nguồn nhạc âm:
a, Dây đàn hai đầu cố định:
Tần số dây đàn : f =
l
vn
.2
.
,với n = 1, 2, 3,…khi n = 1 : âm phát ra là âm cơ bản. khi n = 2, 3, … thì âm phát
ra là các hoạ âm bậc 2, 3, ….trong đó v được tính theo công thức :
µ
T
v
=

Dạng 2: Mức cường độ âm
L(B) = lg
0
I
I
hay L(dB) = 10.lg
0
I
I
,
trong đó : I là cường độ âm tại một điểm; I
0
là cường độ âm chuẩn.
Dạng 3: Tần số do dây đàn phát ra.
Tần số : f =
l
vn
.2
.
với n = 1, 2, 3,…
Trong đó v được tính theo công thức :
µ
T
v
=
.T là lực căng dây- μ là mật độ dài kg/m.
Khi n = 1  f =
l
v
.2

với m = 1, 3, 5, …
• Nếu tần số f của nguồn dao động gần bằng tần số riêng f
0
của hộp thì có cộng hưởng âm.
C. Bài tập áp dụng:
Bài 1.Một nguồn âm phát ra sóng âm hình cầu truyền đi giống nhau theo mọi hướng và năng lượng âm
được bảo toàn. Lúc đầu ta đứng cách nguồn âm một khoảng d, sau đó ta đi lại gần nguồn thêm 10 m thì
cường độ âm nghe được tăng lên gấp 4 lần.Tính khoảng cách d.
Giải
Cường độ âm :
tS
W
I
.
=
.Ta có diện tích mặt cầu S = 4πd
2
, W là ăng lượng âm truyền qua mặt cầu trong
thời gian t và cũng là năng lượng âm do nguồn phát ra trong thời gian đó. Nên :
P
t
W
=
: công suất nguồn.
Ở vị trí đầu :
2
1
4 d
P
I

=
2
2
)10(
4
d
d
2
10
=
−d
d


d = 20 m.
Bài 2: Một ống sáo dài 50 cm. Tốc độ truyền sóng trong ống là 330 m/s. Ống sáo này khi phát ra âm có hai
bụng sóng thì tần số hoạ âm là bao nhiêu ?
Giải
Hoạ âm có hai bụng sóng nên:
2
1+m
= 2

m = 3 .
Tần số hoạ âm bậc 3 là: f =
l
v
.4
.
3

8680.4
340.
4
. mm
f
vm
==
(m) với m = 1, 3, 5, …
Theo đề bài ta có: 0,45 ≤ l ≤ 0,85

3,6≤ m ≤ 6,8

m = 5 (m là một số nguyên dương lẻ).
Vậy chiều dài cột không khí là: l = 5/8 = 0,625 m = 62,5 cm.
Bài 4. Mức cường độ âm tăng thêm 30 dB thì cường độ âm tăng lên bao nhiêu lần?
Giải
Ta có : L
1
= 10.lg
0
1
I
I
và L
2
= 10.lg
0
2
I
I

lg
3
1
2
10lg3 ==
I
I

1
2
I
I
= 10
3
Vậy cường độ âm tăng lên 10
3
= 1000 lần.
Bài 5. Một dây đàn dao động phát ra âm cơ bản có bước sóng trong không khí là λ. Cũng với dây đàn đó
nhưng để phát ra âm cơ bản có bước sóng λ/2 thì sức căng dây tăng hay giảm bao nhiêu lần.
Giải
- Với dây đàn có sức căng dây T thì tốc độ truyền sóng trên dây là:
µ
T
v
=
.Tần số âm cơ bản là: f =
l
v
.2
Bước sóng âm trong không khí:

λ
. (2)
TT
T
T
T
T
l
v
v
l
v
v
4'
'
'
2
2.
'
2.
2
)2(
)1(
0
0
=⇒=⇔=⇔
µ
µ
λ
λ

v
l

= 3

4675
3
.
3
11
=

=⇒=









k
k
t
tk
vl
lv
v
vv

4


0
I
I
= 10
4

 Do đó cường độ âm là: I = I
0
.10
4
= 10
-12
.10
4
= 10
-8
W/ m
2
.
Bài 8. Tại một điểm A nằm cách xa một nguồn âm N (coi như một nguồn điểm) một khoảng NA = 1 m,
mức cường độ âm là L
A
= 90 dB. Cho biết nguỡng nghe của của âm chuẩn là : I
0
= 10
-12
W/m

A
= 10
9


I
A
= I
0
.10
9

Vậy I
A
= 10
-12
.10
9
= 10
-3
W/m
2
b. Theo giả thiết của đề bài, ta có:
Năng lượng âm trên các diện tích S
A
và S
B
phải bằng nhau.
Do đó:
Life change when we change !

2
22
10
10
1

=






=






=
NB
NA
S
S
B
A
.Vậy I
B
= 10

Công suất của nguồn là năng lượng truyền qua diện tích mặt cầu tâm N bán kính NA trong 1 s.
Vậy P = 4π.NA
2
.I
A
= 4π.1
2
.10
-3≈
12,56 (mW).
Bài 9. Trong thép sóng âm lan truyền với vận tốc v = 5 000 m/s. Hai điểm gần nhau nhất cách nhau 1m.
Tại đó các phần tử lệch pha
2
π
.Hãy tìm tần số sóng âm?
Giải
Ta có : độ lệch pha
2
2
π
λ
π
ϕ
==∆ d

λ = 4.d = 4 m
Tần số sóng âm:


Vậy T = 5.10
-4
.300
2
= 45 N
Dạng 6: Hiệu ứng Đốp-ple.

A. Kiến thức cần nhớ:
-Để dễ nhớ và dễ áp dụng các trường hợp khác nhau của hiệu ứng Đốp-ple nên ta quy chung về một công
thức tổng quát và chọn chiều chuyển động cho chính xác

f
vv
vv
f
S
M
.'


=
, trong đó: v: là tốc độ truyền âm trong môi trường.
v
S
: tốc độ của nguồn âm.
Life change when we change !
17
v
M

> 0 
ff <'

v


v
S
v


M
v

v
M

S
v


B. Bài tập áp dụng:
Bài 1. Một người kiểm soát đứng tại trạm kiểm soát dùng còi điện phát ra âm có tần số f = 500 Hz hướng
về một chiếc ôtô đang chuyển động với tốc độ 20 m/s. Sóng âm truyền trong không khí với tốc độ v = 330
m/s. Hỏi người ngồi trên ôtô nghe được âm có tần số bao nhiêu trong hai trường hợp:
a) Ôtô hướng về người kiểm soát.
b) Ôtô hướng ra xa người kiển soát.

S
M
.'


=
=
3,530500.
0330
)20(330
=

−−
Hz.
b. Tương tự câu a ta chọn chiều của
v

.Rồi xét dấu: v
M
= + 20 m/s , v
S
= 0 .
Life change when we change !
18
Tần số âm nhận được :
f
vv
vv
f
S

vv
f
S
M
.'


=
=
12,412400.
10340
0340
=


Hz
- Giai đoạn 2: vách đá phản xạ sóng âm trở lại cho ôtô, khi đó vách đá trở thành nguồn âm (S) và ôtô đóng
vai trò là máy thu (M). Do đó : chiều truyền sóng
v

từ vách phát ra nên : v
đá (S)
= 0 , v
ôtô (M)
= - 10 m/s.
Tần số âm mà ôtô nhận được từ vách đá :
'.'' f
vv
vv
f

, b) M
2
B =
12
7
λ
Bài 2. Cho biết nguồn S phát ra sóng âm truyền đi trong một đường thẳng đứng. Có hai điểm A và B nằm
trên đường thẳng qua S, A, B. Mức cường độ âm tại A là L
A
= 50 (dB) và tại B là L
B
= 30 (dB). Cường độ
âm chuẩn là I
0
= 10
-12
( W/m
2
) .Hãy xác định cường độ âm tại trung điểm C của AB.
Đáp số: I
C
= 3,3 .10
-9
( W/m
2
) .
Bài 3. Dây căng AB có dòng xoay chiều hình sin tần số f chạy qua. Cho biết AB

đường cảm ứng từ của
từ trường do nam châm hình chữ U gây ra. Vận tốc truyền sóng là v = 10 m/s, dây có chiều dài là l = 0,5 m

Khoảng cách giữa hai nguồn là l = 3,6λ.Trong đoạn S
1
S
2
có mấy điểm cực đại của sóng có dao động cùng
pha với u
S1
.
Đáp số: có 4 điểm.
Bài 7. Trên dây căng AB có A, B cố định và đang có sóng dừng. Nguồn S cách A một đoạn l = 10λ. Tìm
M gần A nhất có dao động tổng hợp sớm pha hơn dao động phát ra từ S một pha là π/2 và có biên độ A= a
2

Đáp số: MA = λ/8
Bài 8. Hai tàu ngầm A, B chuyển động ngược chiều nhau trên một đường thẳng, v
A
= 50km/h, v
B
=70km/s.
Tàu A phát ra âm có tần số f
A
= 1000 Hz, tốc độ truyền âm trong nước là v = 5470 km/h.Tìm:
a) Tần số mà tín hiệu tàu B nhận được.
b) Tàu A nhận được tín hiệu phản xạ từ tàu B với tần số bằng bao nhiêu?
Đáp số: a) f
B
= 1022,14 Hz.
b) f
A px
= 1044,85 Hz.

.
LOẠI III: Dãy cực đại – cực tiểu trong giao thoa trường 4
A.Tóm tắt lí thuyết. 4
B.Phương pháp giải bài tập 4
Dạng 1 : Số điểm dao động cực đại trên S
1
S
2
4
Dạng 2 : Số điểm dao động cực tiểu trên S
1
S
2
5
Dạng 3 : Tìm số cực đại , cực tiểu trên đoạn S
1
S
2
– khoảng cách giữa hai cực đại (cực tiểu) 5
liên tiếp nhau
LOẠI IV: Sóng dừng 6
A.Tóm tắt lí thuyết. 6
B.Phương pháp giải bài tập 7
Dạng 1 :Các yếu tố liên quan đến sóng dừng 7
Dạng 2 : Dưới sợi dây treo thêm vật nặng m 8
LOẠI V: Sóng âm - Nguồn nhạc âm - Hiệu ứng Đôp-ple 8
A.Tóm tắt lí thuyết. 8
Life change when we change !
21
B.Phương pháp giải bài tập 9


Nhờ tải bản gốc

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Music ♫

Copyright: Tài liệu đại học © DMCA.com Protection Status